Non-destructive evaluation of complex interactions between <em>Heterodera schachtii </em>and<em> Rhizoctonia solani</em> on sugar beet as affected by cultivar resistance

Abstract

The beet cyst nematode Heterodera schachtii and Rhizoctonia crown and root rot caused by the fungus Rhizoctonia solani anastomosis group 2-2IIIB were investigated for the presence of synergistic interactions on sugar beet.<br /> Three levels of cultivar resistance were tested for their response to the fungus and nematode alone and in combination. A cultivar susceptible to both pathogens, one tolerant to R. solani and one resistant to H. schachtii were used. Synergistic damage was caused by the disease complex on the tolerant and the susceptible cultivars. Conversely, the resistant cultivar showed less damage by the disease complex than R. solani inoculated alone. Staggered time of inoculation of the two pathogens was used to investigate the effect of plant age on the development of the disease complex. It was demonstrated that younger plants were more susceptible to the disease complex. Besides destructive analysis of plant-pathogen interactions, hyperspectral leaf reflectance was used to test it’s suitability for detection of symptoms caused by each organism alone or in combination. Calculation of the Normalized Differenced Vegetation Index allowed discrimination of plants impacted by the disease complex as well as R. solani treated alone from plants of the absolute control and the H. schachtii treated plants.<br /> Nuclear magnetic resonance imaging was tested for detection of belowground symptoms caused by R. solani and/or H. schachtii. The treatment with H. schachtii alone showed excessive lateral root development. Morphology of the roots was different to control plants. The roots were thicker near the locus of nematode inoculation. Rhizoctonia solani rotting on the beet was also detected by Nuclear Magnetic Resonance imaging. Signal intensity (water content) was lower where rotting occurred. The disease complex treated plants showed more severe rotting on the Nuclear Magnetic Resonance image near the site of nematode penetration.<br /> Hyperspectral leaf reflectance images were processed to obtain more exact data for symptom discrimination. By calculation of several spectral vegetation indices it was possible to discriminate symptoms caused by H. schachtii, R. solani or the disease complex as opposed to healthy plants by means of leaf reflectance. Spectral vegetation indices were highly correlated with pathogen induced symptoms when obtained from hyperspectral images including soil reflectance. A supervised classification technique based on spectral reflectance was tested to differentiate between four levels of leaf symptoms caused by Rhizoctonia crown and root rot and resulted in an overall accuracy of 79 %.<br /> Aerial and near-range hyperspectral sensors were tested on detection, discrimination and quantification of symptoms caused by Rhizoctonia crown and root rot and the beet cyst nematode in a field experiment. Georeferenced maps were constructed with ground truth data which was then correlated to different aerial and near-range hyperspectral datasets. Symptoms could be discriminated by variable temporal onset in the cropping season. By supervised classification of aerial data it was possible to quantify damage of either R. solani or H. schachtii with an overall accuracy of 78 %. More severe damage by concomitant pathogen occurrence, but no synergistic damage was observed by the disease complex under natural field conditions.

<strong>Berührungslose Untersuchung von Wechselbeziehungen zwischen <em>Heterodera schachtii </em>und<em> Rhizoctonia solani</em> an Zuckerrüben unter Berücksichtigung des Einflusses von Sortenresistenzen auf die Interaktionen</strong><br /> Der Einfluss des gemeinsamen Auftretens von Rübenzystennematoden (Heterodera schachtii) und der durch Rhizoctonia solani hervorgerufenen späten Rübenfäule wurde auf die Bildung synergistischer Interaktionen an Zuckerrüben untersucht.<br /> Drei unterschiedlich resistente Zuckerrübensorten wurden auf mögliche Interaktionen zwischen Pilz und Nematode getestet. Eine Sorte war gegen beide Schadorganismen anfällig, eine tolerant gegenüber R. solani und eine resistent gegenüber H. schachtii. Die anfällige und die tolerante Sorte zeigten einen synergistischen Schaden, verursacht durch den Krankheits-Komplex. Hingegen gab es bei der H. schachtii resistenten Sorte keine synergistischen Schadeffekte. Um den Einfluss des Entwicklungsstadiums der Pflanzen auf die Interaktion zu untersuchen, wurde eine zeitlich verzögerte Inokulation des Krankheits-Komplexes realisiert. Wie erwartet waren jüngere, weniger entwickelte Pflanzen dem gleichzeitigen Auftreten von H. schachtii und R. solani gegenüber anfälliger. Neben den konventionell destruktiven Methoden der Versuchsauswertung wurde die Blattreflektion mittels eines hyperspektralen Sensors aufgenommen. Diese berührungslose Methode wurde auf ihre Sensibilität gegenüber der Entdeckung von Symptomen von jeweils einem oder beiden Organismen zusammen untersucht. Durch die Berechnung des Normalized Differenced Vegetation Index aus den hyperspektralen Daten war es möglich Symptome von Pflanzen mit dem Krankheits-Komplex von Pflanzen ohne diesen zu unterscheiden.<br /> Die nukleare Magnetresonanztomographie wurde als berührungslose Technik eingesetzt, um unterirdische Schäden, hervorgerufen durch H. schachtii und/oder R. solani, nachzuweisen. Die mit H. schachtii inokulierten Pflanzen bildeten verstärkt Seitenwurzeln. Auch die durch R. solani hervorgerufene Fäule konnte durch Magnetresonanztomographie diagnostiziert werden. Pflanzen mit dem Krankheits-Komplex zeigten auf den Resonanzbildern eine deutlich stärkere Fäule am Rübenkörper nahe der Penetrationsstellen der Nematoden.<br /> Um die aussagekräftigsten Daten für eine Symptomdiskriminierung zu erhalten, wurden hyperspektrale Bilder auf unterschiedliche Weise prozessiert. Anhand mehrerer spektraler Vegetations Indizes war es möglich die verschieden inokulierten Pflanzen voneinander zu unterscheiden. Die Indizes korrelierten am stärksten mit den Symptomen, wenn die Reflektion des Bodens in die Auswertung der Bilder einbezogen wurde. Mittels einer überwachten Klassifizierung konnten durch R. solani hervorgerufene Blattsymptome mit einer Genauigkeit von 79 % bestimmt werden.<br /> In einem Feldversuch wurden flugzeug- und handgetragene hyperspektrale Sensoren auf Detektion, Diskriminierung und Quantifizierung von Symptomen der Rübenfäule und des Rübenzystennematoden untersucht. Georeferenzierte Karten wurden aus Bonitur Daten erstellt und anschließend mit hyperspektralen Daten korreliert. Symptome durch die beiden Versuchsorganismen konnten durch das zeitlich versetzte Auftreten unterschieden werden. Durch eine überwachte Klassifizierung der Luftbilddaten war es möglich Schäden sowohl durch R. solani als auch durch H. schachtii mit einer Genauigkeit von 78 % zu bestimmen. Ein synergistischer Schaden konnte durch das gleichzeitige Auftreten der beiden Versuchsorganismen im Feld nicht nachgewiesen werden.